数学的应用应用

约翰.冯.诺依曼
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世界著名数学家,中国科学院数学与系统科学研究院系统科学研究所研究员、名誉所长,中国数学会名誉理事长...
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三年级下册数学应用题
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?数学学科分支
应用数学(Applied Mathematics)是应用目的明确的数学理论和方法的总称,研究如何应用数学知识到其它范畴(尤其是科学)的数学分枝,可以说是纯数学的相反。包括微分方程、、、、复变分析、、、、、、、等许多数学分支,也包括从各种应用领域中提出的数学问题的研究。有时也可视为应用数学的一部分。
应用数学两个词:”应用”和”数学”。大体而言,应用数学就包括两个部分,一部分就是与应用有关的数学,这是传统数学的一支,我们可称之为”可应用的数学”。另外一部分是数学的应用,就是以数学为工具,探讨解决科学、和社会学方面的问题,这是超越传统数学的范围。应用数学在21世纪,主要是应用于两个领域,一个是计算机,随着计算机的飞速发展,需要一大批懂数学的软件工程师做相应的数据库的开发,另一个是经济学,经济学有很多都需要用非常专业的数学进行分析,应用数学有很多相关课程本身设计就是以经济学实例为基础的。
数学是人类活动中的一个项目,即使全是由产生的最纯粹的数学,也与自然界的规律相关联,迟早会对自然规律的掌握或其他方面有用处的。我们将已可应用,或者即将就可应用的数学称之为可应用的数学。以现今的发展而言,大概像、统计、、计算机数学,和等都算在可应用的数学范围内。另一类则”数学的应用”。物理学家、航空工程师、地质学家、、经济学家等,他们为了解决各学科及工程上的问题,需要用数学用为工具。因此,他们有时要把已经发展得很完善的数学搬过来用,有时候却不得不自己创造性地发展新的,来处理他们所遇到的独特问题。这就是数学的应用。他们往往要求不太高的严谨,常需要配合观察实验结果及经验所赋予的直觉来发展数学方法。所以除了相当水平的数学修养外,应用数学家们对应用主题的学科还必须有相当深度了解。
传统的数学分为”纯数学”与”可应用的数学”,二者的差别只是程度上的不同,即使最纯粹的数学在将来也会有应用的可能。它们的共同点是都只关注问题的数学内容,也只用数学标准来衡量研究的成果。“数学的应用”则以科学或工程内容为主导,数学只是工具,所以研究成就的衡量标准也大大不同。
20世纪以前没有”应用数学”这一名词。大数学家如、、等都是既搞纯数学,又搞应用数学。比如,函数的发展基本上是为了解决物理学所引发的。纯粹的与自然现象的解释探讨是并行发展的。一直到二次大战前,的应用绝大部分与物理学有关。
在二次大战前后,由于航空工业的发展以及飞机在战争中的重要性,高等数学开始大量用在力学及其它工程方面,促成了应用力学与应用数学的发展。在40、50年代,应用数学的主要研讨内容是力学,大多数应用数学家的背景也不是数学,所以”应用”的性质是很强的。60年代以后情况就有些改变。一方面高等数学的应用范围愈来愈广,不但物理学、工程、化学、天文、地理、生物、医学在用高等数学,甚至经济学、语言学也开始用相当多的高等数学,应用数学因此得到发展。
应用数学得以发展的另外一个原因是数学的发展越来越极端抽象化,渐渐地只有数学家自己以及狭门同行才能理解他们在搞什么。在这种情形下,需要用数学的理论科学家与工程师们就只好自力更生,不依赖纯数学家,而自己搞起数学来了。他们所搞的数学与纯数学最大的区别就是与实际的结合:自然的实际,社会的实际。自然现象与社会发展提出的数学问题要设法解决;数学问题解决以后,其探讨结果要再回到自然界与社会中去,应用数学就这样产生了。
中国最著名的数学典籍《》就是246个实际应用问题的汇集,注重实际问题,是的优良传统。体力与劳动分工之后,科学发展的新阶段:创造了纯粹而严密的科学体系,却远离了现实生活。
从此以后,数学就从两个方向发展着。一方面是。例如、费马大定理等世界名题,成为世人关注的焦点,一旦有所突破,可被视为人类思想史上的大事。至于、、抽象群论等等,虽说开始时看不到和实际的直接关系,但是只要是好的数学知识,往往在若干年后会发现有实际应用。20世纪40年代研究的,到了20世纪70年代,竟成为物理学上由等发现的的,这种世界的统一性,令人不可思议。
另一方面,应用数学在不断地迅猛发展。现实世界毕竟是数学发展的源泉。从17世纪以来,社会发展和生产需要一直是数学发展的主要推动力。从物理学需要发明了,反过来,开普勒用数学方法发现了;推动了和的发展,促使学走向新的高峰;的基本规律是用微分方程写的。时至20世纪,喷气机和的制造和导航,CT扫描的医疗设备,组织大规模战争的运筹方案,本质上都是数学技术。
在现代,数学不仅作为一个解决问题的工具,而且已成为时代文化的一个重要组成部分,一些数学概念、语言已渗透到日常生活中去,一些数学原理已成为人们必备知识,如面积、体积、对称、、、比例、角度等成为社会生活中常见名词;象人口增长率、生产、股票趋势图等不断出现在报刊、电视等大众信息传播媒介中;而象储蓄、、保险、面积、体积计算(估算)、购物决策等成为人们难以回避的现实问题。那么将来的公民——现在的学生,必须具备一个解决实际应用问题的,这一切都呼唤应用问题呈现于数学教育教学过程中。
中国古代数学一向有实用的传统,数学教学中重视数学应用也并非新问题。在小学里,数学应用问题是教学的重点和难点,从未有人持异议。到了初中,学了,数学品味趋于抽象,逻辑推理不断加强,数学应用渐有淡出之势。不过,数学应用并未绝迹,诸如浓度问题、等仍有出现,与铁栅门的关系等也总要提及。只是被某种错误观念的误导,大家不太重视罢了。
一到高中,情况变得越发严重。数学一直是中学的主干课程,为什么要学那么多的数学?一般认为,数学是“能力筛子”、“思想的体操”,无非是“升学需要”、“思想健身”而已。至于有什么用,对不起,不必问。由于大跃进年代,文革时期“过火地”联系实际,破坏了数学知识的系统性,一旦拨乱反正,便专注于纯粹数学的要求。一个时期以来,主张数学应用被称为“实用主义”、“短视行为”,似乎数学离现实生活越远越好。“掐头去尾烧中段”式的纯成为唯一的选择。因此,关于数学应用问题的设计与教学成为迫在眉睫的任务。
现代到了物理以后,有很多根本无法做实验,在家用纸笔来算,这跟数学家想象的差不了多远,所以说数学在物理上有着不可思议的力量。 ——
数学受到高度尊崇的另一个原因在于:恰恰是数学,给精密的自然科学提供了无可置疑的可靠保证,没有数学,它们无法达到这样的可靠程度。 ——
数学对观察自然做出重要的贡献,它解释了规律结构中简单的原始元素,而天体就是用这些原始元素建立起来的。——
数学科学呈现出一个最辉煌的例子,表明不用借助实验,纯粹的推理能成功地扩大人们的认知领域。 ——
,粒子之微,火箭之速,化工之巧,地球之变,生物之谜,日用之繁,无处不用数学。——
数学表达上准确简洁、逻辑上抽象普适、形式上灵活多变,是宇宙交际的理想工具。——
一门科学,只有当它成功地运用数学时,才能达到真正完善的地步。——马克思
一个国家的科学水平可以用它消耗的数学来度量。——拉奥

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